外延反應器的反應室和使用所述室的反應器的製作方法

2023-10-19 18:18:07 3

專利名稱：外延反應器的反應室和使用所述室的反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及外延反應器的反應室且涉及使用所述室的反應器。
背景技術：
外延反應器是用於將平滑的且均勻的單晶或多晶材料層沉積在襯底上的機器；經如此處理的襯底用於生產電裝置(例如太陽能電池)、電子器件(例如MOSFET和LED)和微電子裝置(例如集成電路)。因此，在缺陷、均勻的厚度和均勻的電阻率方面，被沉積的層的品質是極其重要的並經得起日益嚴格的要求。襯底是非常薄的圓盤(通常在ΙΟΟμπι至1' 500 μ m的區間內)並具有可極大變化的直徑(通常在1」 = 25mm至18」 = 450mm的區間內)，且可以例如由矽[Si]、碳化矽 [SiC]、鍺[Ge]、砷化鎵[GaAs]、氧化鋁或「藍寶石」 [Al2O3]、氮化鎵[GaN]製成。被沉積的材料通常是導體和半導體材料，例如矽[Si]、碳化矽[SiC]、鍺Re]、砷化鎵WaAs]、氮化鋁[A1N]、氮化鎵[GaN]。被沉積的層和下面的襯底可以由相同的材料製成或由不同的材料製成。被沉積的層的厚度可以在幾納米至幾毫米的寬泛區間內；當被沉積的層的厚度大於Imm時，沉積工藝通常被稱為「體生長」。已知的外延反應器包括通常基本上由石英構件(quartz piece)組成的反應室； 石英構件包括具有圓柱體、稜柱體、圓錐體、稜錐體或平行六面體的形狀且設置有至少一個由壁界定的內腔的石英構件部分；該腔包括外延反應器的反應和沉積區；該區適合於容納在其中被加熱的至少一個基座；基座用來支撐襯底且常常還用來加熱襯底。存在許多類型的反應器；根據類型的不同，室可以被豎直地或水平地(很少傾斜地)布置；根據類型的不同，基座可以具有圓盤、稜柱體、圓柱體、稜錐體、圓錐體的形狀且可以是實心的或中空的；根據類型的不同，基座可以藉助於電阻器、電感器、燈(很少有內部燃燒器)來加熱；根據類型的不同，反應器可以是「冷壁」或「熱壁」(這些術語是指界定其內部發生反應和沉積的空間的壁)。外延反應器的工藝在高溫下進行，S卩，從幾百攝氏度至幾千攝氏度(例如，多晶矽的沉積在通常在450°C到800°C之間的溫度下進行，單晶矽在矽襯底上的沉積在通常在 850°C到1，250°C之間的溫度下進行，單晶碳化矽在矽襯底上的沉積在通常在1，200°C到 1』400°C之間的溫度下進行，單晶碳化矽在碳化矽襯底上的沉積，對於「外延生長」在通常在 1，500°C到1，700°C之間的溫度下進行而對於「體生長」在通常在1，900°C到2，400°C之間的溫度下進行，並使用大量的能量(數十kW)來加熱。因此，重要的要求是防止所產生的熱能釋放到環境中。基於該目的，幾十年來，常用的措施是將薄層(小於ΙΟΟμπι)的基於金的材料施用在外延反應器的反應室的外部表面；該金層藉助於一定數量的塗覆和乾燥循環來產生(其不易於獲得平滑的、均勻的且非多孔的層)並反射由基座井(susc印tor well)發射的紅外輻射。
在其中基座是加熱襯底的主要元件的外延反應器中(例如，在具有感應加熱的外延反應器中)，適當的反射有利地導致在生長工藝期間在襯底的前部和後部之間的溫差降低。一般而言，重要的要求是襯底在沉積工藝期間被均勻地加熱以獲得厚度和電阻率的高均勻性。使用金層的解決方案的缺點是，在某些時間(即，幾個月)之後，金層脫離反應室的石英表面-石英表面越熱，金層脫離得越快，這還由於金的熱膨脹高於石英的熱膨脹的事實；如果反應室藉助於氣體流動來冷卻(這是相對普遍的)，則該現象甚至更快地出現， 這還由於氣體流動對層的機械作用；此外，該現象由於來源於反應室的先前的洗滌循環在反應室表面上產生的痕量酸而增加。金層的脫離導致外延反應器的電力消耗增加，這是因為由基座發射的紅外輻射的一部分釋放到環境中。此外，因為金層的脫離不是平穩的和均勻的，這還導致所生長的襯底的品質下降。因此，當出現脫離時，必須從外延反應器拆卸反應室，完全地除去金層(已經部分脫離的)，重新施用金層並將反應室重新裝配到外延反應器中；這些操作耗費時間，是成本高的且僅可以被執行有限的次數。如已經提及的，外延反應器的工藝在高溫下在反應室的腔中進行；因此，必須冷卻反應室。然而，該室的冷卻可以造成界定其內發生反應和沉積的空間的壁出現過度冷卻和 /或非均勻冷卻；這導致所生長的襯底的品質下降。發明概述本發明的大體目的是克服上述缺點並滿足上述要求。該目的和其他目的通過具有構成本說明書的整體部分的所附權利要求中陳述的特徵的反應室來實現。構成本發明基礎的構想是提供石英部件，所述石英部件被按照使得形成對面壁 (counterwall)並成為反應和沉積區的壁的方式被布置為鄰近反應室的腔的壁。進行實施該構想的實驗且獲得了完全超出預期的結果(A)被沉積的層的厚度和電阻率的極佳均勻性，(B)被沉積的層的低缺陷，(C)降低了用於加熱反應和沉積區的電力消耗，(D)提高了注入反應和沉積區的前驅體氣體的利用率且因此獲得更大的沉積速度， (E)減輕了室的腔壁的寄生沉積且因此在反應和沉積區中存在較少的雜散顆粒以及降低了 「洗滌」室的需求，(F)室的腔壁較少地捕獲摻雜物且因此降低了產生具有較顯著的或較不明顯的逐漸的過渡的摻雜水平和摻雜類型的相鄰沉積層的可能性。一般而言，根據本發明，外延反應器的反應室基本上由石英構件組成；所述石英構件包括具有至少部分地由壁界定的至少一個內腔的石英構件部分；所述腔包括外延反應器的反應和沉積區；所述區適合於容納在其中待加熱的基座；反應室還包括被按照使得形成對面壁並成為所述區的壁的方式被布置為鄰近所述壁中的一個或多個的石英部件。在根據本發明的反應室中，所述石英部件可以被按照使得形成所述壁中的兩個或三個或四個，優選地所述壁中的三個的對面壁的方式進行布置。在根據本發明的反應室中，所述石英部件可以安置在所述壁中的一個或兩個上， 優選地僅安置在所述壁中的一個上。
在根據本發明的反應室中，所述石英部件可以基本上由直的或成形的石英板 (quartz slab)，優選成形的石英板，更優選U形的石英板組成。在根據本發明的反應室中，所述石英板可以具有均勻的或變化的厚度。在根據本發明的反應室中，至少一個間隙通常被界定在所述石英部件和所述壁之間。所述間隙可以與所述反應和沉積區隔離，尤其是密封地隔離。在根據本發明的反應室中，所述間隙可以具有均勻的或變化的寬度。在根據本發明的反應室中，兩個或三個或四個間隙，優選地三個間隙可以被界定在所述石英部件和所述壁之間，所述間隙的寬度優選地是均勻的且彼此相等的。在根據本發明的反應室中，所述石英部件的石英可以是透明的、不透明的或反射的。在根據本發明的反應室中，所述石英部件可以在內側面或外側面上，優選地在更鄰近所述壁的側面上被塗覆反射層。所述反射層通常適合於反射由所述基座發射的在1』 OOOnm至10』 OOOnm，優選地 1，500nm至3，OOOnm的波長區間內的紅外輻射。所述反射層優選地由基於石英的材料製成。所述反射層可以完全地或部分地塗覆所述石英部件。所述反射層可以被完全地或部分地塗覆玻璃化石英層。在根據本發明的反應室中，所述石英構件部分可以具有圓柱體或稜柱體或稜錐體圓錐體的形狀，優選地具有基本上平行六面體的形狀，且具有形成所述腔的軸向通孔。根據本發明的反應室可以包括在所述石英構件的端部處的凸緣。在根據本發明的反應室中，至少一個間隙通常被界定在所述石英部件和所述壁之間；因此可以提供與室結合的、適合於在所述間隙內運送至少一種流體流，優選地氣態流體流的裝置。所述裝置可以適合於在所述間隙內運送至少兩種流體流，優選地氣態流體流，所述流的流動方向優選地在它們之間形成約180°的角度。所述流中的一種或每一種的流動方向可以在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後發生變化。所述流體流中的一種或每一種的速度和/或流量可以在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後發生變化。所述流中的一種或每一種的流體可以包括氫和/或氦和/或氬。所述流中的一種或每一種的組成可以在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/ 或在生長工藝之後發生變化。所述流中的一種或每一種可以適合於冷卻所述石英部件。所述流中的一種或每一種可以適合於控制或確定在所述石英部件與至少一個所述壁之間的熱交換，尤其是所述至少一個間隙的熱交換係數。在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後，所述流中的一種或每一種可以是諸如維持所述石英部件的兩個側面上基本上相同壓力的流。根據另外的方面，本發明還涉及包括具有以上陳述的特徵中的一個或多個的反應室的外延反應器。附圖簡述
下面將連同附圖一起詳細地描述本發明，其中

圖1以三種不同的視圖示出了根據現有技術的反應室(圖IA是側視圖，圖IB是俯視圖，圖IC是正視圖)，圖2以三種不同的截面圖示出了根據本發明的反應室的實施方式的實例(圖2A 是側視圖，圖2B是俯視圖，圖2C是正視圖)_圖2的室對應於圖1的已經向其添加根據本發明的技術特徵的室，並且圖3以截面側視圖示出了根據本發明的反應室的實施方式的第二實例-圖3的室與圖2的室非常相似。發明詳述本說明書和這些圖作為非限制性實例被提供；而且，它們是示意性的和簡化的。圖1示出外延反應器的反應室，其基本上由中空的石英構件組成；該中空的石英構件包括具有平行六面體(具有圓形的縱向邊緣)形狀的石英構件部分1和在部分1中產生的軸向通孔2 ；部分1適合於根據三個方向中的兩個(即，寬度和高度-參見圖1C)界定反應和沉積區3(圖1中未示出)並容納在孔2內待加熱的至少一個基座(圖1中未示出)； 孔2具有在形狀上對應於部分1的截面的矩形截面(具有圓角)，且以該方式，部分1形成具有呈基本上等截面的壁的管；IA指代底壁的內表面，IB指代第一側壁的內表面，IC指代頂壁的內表面且ID指代第二側壁的內表面。圖1的室適合於被水平地布置，以容納圓盤形的基座，以與感應加熱裝置結合，並被用於「冷壁」反應器中(即，中空的石英構件的部分1的溫度在外延生長工藝期間不超過 400-600°C且因此比基座的溫度低得多)。圖1的室還包括在中空的石英構件，尤其是部分1的端部處的兩個凸緣7。部分1由透明石英製成，尤其是對可見光透明的，而且對紅外光透明的。凸緣7由不透明石英製成，尤其是對可見光不透明的，而且對紅外光不透明的 (即，其阻塞了通路且因此部分地反射和部分地吸收)。圖2示出圓盤形的基座4，其被安裝在立軸8上以支撐圓盤形的基座4並使其旋轉；基座4在其頂面具有少量凹進部(特別地，五個凹進部)，這些凹進部適合於容納其上進行外延生長的襯底；軸8穿過室的底壁中產生的圓孔(設置了保持裝置，該圖中未示出)；此外，該圖示出反應和沉積區3 ；最後，應注意，基座4和軸8都不是室的一部分。圖2的室不同於圖1的室，這基本上是由於以下事實圖2的室包括以使得形成對面壁並成為區3的壁的方式被布置為鄰近腔2的壁中的一個或多個的石英部件5 ；特別地， 石英部件5是U形的板，該U形的板被布置為倒轉的且僅安置在底壁上，特別是該壁的內表面IA上；所有這些在圖2C中是清楚可見的；板5具有均勻的厚度。該成形的板可以通過結合以下三個直板來產生一個適合於被水平地布置，且兩個適合於被豎直地布置。部件2延伸室的全部長度，尤其是延伸到凸緣7的邊緣；可選擇地，其可以例如僅延伸部分1的全部長度。在圖2的實例中，部件5按照使得產生腔2的三個壁的對面壁尤其是兩個側壁的對面壁和頂壁的對面壁的方式進行布置。間隙6被界定在部件5與腔2的壁之間，其被分成又是間隙的三個部分6B、6C、6D ；間隙6B位於部件5與第一側壁的內表面IB之間，間隙 6C位於部件5與頂壁的內表面IC之間，間隙6D位於部件5與第二側壁的內表面ID之間；間隙6 (和因此其部分6B、6C、6D)與反應和沉積區3幾乎被密封地隔離；三個間隙6B、6C和 6D的寬度基本上是均勻且彼此相等的(在邊緣處具有微小差異)，如可以在圖2C中清楚看到的；這些寬度通常在Imm至IOmm的區間內。部件5的石英可以是透明的、不透明的或反射的。部件5可以在其內側面或外側面上被塗覆反射層；塗覆可以是全部的或部分的。根據最典型的實施方式，部件5由透明石英製成且在更鄰近腔2的壁，即鄰近表面 6B、6C、6D的側面上被塗覆反射層。該反射層通常適合於反射由基座4發射的在1，OOOnm至10，OOOnm，優選地 1，500nm至3，OOOnm的波長區間內的紅外輻射。反射層優選地由基於石英的材料製成；以該方式，從化學的觀點(相同的或相似的化學性質，即，電阻)、從機械的觀點(相同的或相似的機械性質)和從熱觀點(相同的或相似的熱性質，即，CTE[熱膨脹係數])來看，層的材料與部件的材料是可相容的。反射層的厚度通常在0. 5mm至1. 5mm的區間內且優選地為約1mm。反射層可以根據以下工藝來獲得-將具有高含量(即，大於80%且小於95%)的在分散體(分散體液體可以是水或例如醇)中的無定形石英顆粒的半液體漿料施用至透明的石英反應室，然後-乾燥所施用的漿料，然後-燒結乾燥的漿料。以該方式，可以獲得這樣的層，該層能夠反射到達層的紅外輻射(在上述波長區間內)中的平均超過80-90%。反射層可以被完全地或部分地塗覆玻璃化石英層；該玻璃化層可以具有通常在 0. 5mm至1. 5mm的區間內的厚度。反射石英層和疊加的玻璃化石英層可以用以下單一工藝來獲得-將具有高含量(即，大於80%且小於95%)的在分散體(分散體液體可以是水或例如醇)中的無定形石英顆粒的半液體漿料施用至透明的石英反應室，然後-乾燥所施用的漿料，然後-燒結乾燥的漿料，然後-例如藉助於火焰或雷射器，使燒結的漿料的表面僅玻璃化至預定的深度；當然， 必須施用足夠的漿料以產生反射石英層和玻璃化石英層兩者。從化學觀點和從機械觀點兩種觀點來看，玻璃化層允許下面的反射層受到保護； 如果產生具有極好品質的玻璃化層，則還可以將反射層放置在部件的內部(即，直接鄰近區3)，這還減少了被釋放到環境中的熱能。圖3的實施方式的實例與圖2的實施方式的實例非常相似(注意圖2A和圖3之間的相似性)；基於此原因，相應的元件用相同的參考符號表明。在圖3中，應注意，基座4被容納在具有圓柱體形狀的底壁的凹進部10中，且軸 8被容納在從腔2的底壁開始豎直突出的管18中；孔2具有入口 21 (在左凸緣處)和出口 22(在右凸緣處)；前驅體氣體通過入口 21進入，進入在其中發生化學反應和沉積的區 3內，且消耗的氣體通過出口 22離開；底壁具有在基座4上遊的隆起的區域11和在基座4 下遊的下部區，區域11的內表面與基座4的上表面對齊；邊緣12被定位在基座和下部區之間；形成部件5的板具有恆定的厚度；間隙6C的寬度逐漸變化，特別地，從入口 21向出口 22逐漸增大(以該方式，可以沿著室中的路徑補償前驅體氣體的「消耗」作用，即使是具有彼此完全平行的底壁和頂壁的室)。如已經提及的，在根據本發明的反應室中，至少一個間隙通常被界定在石英部件和壁之間；因此，可以設置與室結合的裝置，該裝置適合於在間隙內運送至少一種流體流， 優選氣態流體流。這在圖3中被示意性表示，圖3中部件用5指代，間隙用6C指代且位於部件6C與頂壁的內表面IC之間，且箭頭AA和BA表示兩種可能的氣體流的方向。可以僅提供一種根據由箭頭AA表示的方向的氣體流，僅提供一種根據由箭頭BA 表示的方向的氣體流，或提供這兩種氣體流；在後一種情況下，兩種氣體流在它們之間形成約180°的角度。氣體流的特徵可以顯著變化；所述流中的一種或每一種的流動方向可以在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後變化；所述流中的一種或每一種的速度和/或流量可以在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後變化；所述流中的一種或每一種的流體可以包括氫和/或氦和/或氬；所述流中的一種或每一種的組成可以在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後變化。氣體流可以用於各種目的。所述流中的一種或每一種可以適合於冷卻石英部件(圖中用5表示)。所述流中的一種或每一種可以適合於控制或確定在石英部件(圖中用5表示)與腔(圖中用2表示)的壁中的至少一個之間的熱交換，尤其是相關間隙(圖中用6表示) 的熱交換係數。在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後，所述流中的一種或每一種可以是諸如維持所述石英部件(圖中用5表示)的兩個側面上基本上相同壓力的流。從已經陳述的內容看，應理解，根據本發明的優選實施方式，從反應和沉積區(在圖中用3表示)向反應室的外部運動，首先遇到對面壁(在圖中用5表示)，然後是間隙(在圖中用6表示)且最後是壁(在圖中用1表示)；流體(優選氣體)可以在間隙中流動；流體(優選液體)可以在壁的外側面上流動。因此，存在可以被合適選擇的許多參數(幾何參數、化學參數、熱力學參數和流體動力學參數)以控制對面壁的內表面的溫度以及從反應和沉積區向外部流動的熱。
權利要求
1.一種外延反應器的反應室，基本上由石英構件組成，其中所述石英構件包括具有由壁(1A、1B、1C、1D)界定的內腔(2)的石英構件部分(1)，其中所述腔(2)包括所述外延反應器的反應和沉積區(3)，其中所述區(3)適合於容納在所述區(3)內待加熱的基座，其特徵在於，所述反應室包括石英部件(5)，所述石英部件(5)被按照使得形成對面壁並成為所述區(3)的壁的方式布置為鄰近所述壁(1A、1B、1C、1D)。
2.根據權利要求1所述的反應室，其中所述石英部件( 被按照使得形成所述壁中的兩個或三個或四個，優選地所述壁中的三個(1B、1C、1D)的對面壁的方式進行布置。
3.根據權利要求1或2所述的反應室，其中所述石英部件(5)安置在所述壁中的一個或兩個上，優選地僅安置在所述壁中的一個上(IA)。
4.根據權利要求1或2或3所述的反應室，其中所述石英部件( 基本上由直的或成形的石英板，優選異形的石英板，更優選U形的石英板組成。
5.根據前述權利要求中任一項所述的反應室，其中在所述石英部件( 和所述壁(1A、 1B、1C、1D)之間界定具有均勻的或可變的寬度的至少一個間隙(6)。
6.根據權利要求5所述的反應室，其中兩個或三個或四個間隙，優選地三個間隙(6B、 6C、6D)被界定在所述石英部件(5)和所述壁(1A、1B、1C、1D)之間，所述間隙的寬度優選地是均勻的且彼此相等的。
7.根據前述權利要求中任一項所述的反應室，其中所述石英部件(5)在內側面或外側面上，優選地在更鄰近所述壁(1B、1C、1D)的側面上被塗覆反射層。
8.根據前述權利要求中任一項所述的反應室，其中至少一個間隙(6)被界定在所述石英部件(5)和所述壁(1A、1B、1C、1D)之間，其特徵在於，所述室與適合於在所述間隙(6)內運送至少一種流體流，優選地氣態流體流的裝置相結合。
9.根據權利要求8所述的反應室，其中所述至少一種流體流的速度和/或流量和/或方向和/或組成在生長工藝之前和/或在生長工藝期間和/或在生長工藝之後發生變化。
10.一種外延反應器，其特徵在於，包括至少一個根據前述權利要求1至9中任一項所述的反應室。
全文摘要
本發明涉及基本上由石英構件組成的外延反應器的反應室；石英構件包括具有由壁(1A、1B、1C、1D)界定的內腔(2)的石英構件部分(1)；腔(2)包括外延反應器的反應和沉積區(3)；區(3)適合於容納在其中待加熱的基座(4)；反應室還包括以使得形成對面壁並成為所述區(3)的壁的方式被布置為鄰近所述壁(1A、1B、1C、1D)的石英部件(5)。
文檔編號C30B29/40GK102395714SQ201080016602
公開日2012年3月28日 申請日期2010年4月16日 優先權日2009年4月17日
發明者弗蘭科·佩雷蒂, 斯瑞尼瓦斯·亞拉加達, 納塔萊·斯佩恰萊, 馬裡奧·佩雷蒂 申請人:Lpe公司